Selección inteligente de materiales para la producción de combustibles solares (Proyecto SmartSolFuel)
Autora: Alicia Bayón (ICP-CSIC)
Las energías renovables están sustituyendo rápidamente a los combustibles fósiles en el sector eléctrico [1]. Sin embargo, en el sector del transporte, la sustitución de combustibles fósiles líquidos está siendo más lenta. El gran desafío que supone el transporte sostenible está impulsado por una variedad de opciones sin una dirección clara hacia la forma de transporte más adecuada, eficiente y rentable, visualizando un futuro diversificado. Una solución rápida sería el uso de vehículos eléctricos (EV). Sin embargo, se requerirán actualizaciones en la infraestructura eléctrica para cubrir incluso los niveles bajos de penetración de vehículos eléctricos [2]. Además, la electrificación no es factible para el transporte pesado, marítimo y aéreo. Afortunadamente, existen formas de producir combustibles líquidos sostenibles que pueden satisfacer esta demanda, a la vez contribuyendo a controlar el cambio climático.
La mayoría de combustibles sostenibles tienen en común el uso de H2O, CO2 y energía solar como recursos primarios. En concreto, las vías más comunes de producción de combustibles sostenibles son: biológica, electroquímica, fotoquímica y termoquímica. La clave sobre qué procesos pueden ser rentables, normalmente radica en cuatro aspectos fundamentales: el coste del combustible, la eficiencia del proceso, la utilización de los recursos y la rapidez con la que puede satisfacer la demanda de hidrocarburos. De todas las rutas posibles, los procesos termoquímicos utilizan la energía térmica del sol y requieren una ingeniería más compleja que las otras vías debido a las elevadas temperaturas que se necesitan [3]. Sin embargo, los combustibles de origen termoquímico son procesos relativamente rápidos y, a la vez, poseen un gran potencial de eficiencia, lo que los hace muy compactos en comparación con las rutas biológicas y fotoquímicas. Consisten en impulsar una termólisis de H2O y CO2 utilizando energía solar térmica concentrada (CST) y óxidos metálicos en dos etapas (reducción solar y desdoblamiento H2O y CO2), permitiendo reducir significativamente la temperatura de la termólisis. Además, el uso de CST ofrece una conversión eficiente de la radiación solar en calor [4], lo que resulta en una eficiencia de energía solar a combustible, de hasta un 30%, potencialmente mayor en comparación con las demás rutas. Sin embargo, la eficiencia máxima de los combustibles termoquímicos solares aún dista considerablemente de su potencial teórico. Hasta el momento, sólo se ha obtenido una eficiencia real de un 5,25 %, lo que es insuficiente para su comercialización [5]. Uno de los principales retos que deben afrontar estos procesos se encuentra en la búsqueda de óxidos metálicos que sean capaces de optimizar la conversión de energía solar al combustible de forma que se reduciría el tamaño de la planta reduciendo así los costes de producción.
En este contexto, el proyecto Smart Selection of Materials for Solar Fuel Production – SmartSolFuel* tiene como objetivo acelerar el despliegue comercial de combustibles solares basados en ciclos termoquímicos mediante una metodología disruptiva que combina aprendizaje automático, experimentación y simulación de procesos. SmartSolFuel pretende demostrar una prueba de concepto de un proceso de combustibles solares con una eficiencia superior al 18% y un coste de combustible inferior a 1 €/L. El éxito de SmartSolFuel reside en 4 paquetes de trabajo (WP) de I+D (ver Figura 1). El WP1 se centra en desarrollar una nueva herramienta de machine learning (Mat-Machine) para seleccionar óxidos metálicos. El WP2 consiste un sistema de reacción (Quick-Thermo-Cycle) que validará los resultados del WP1. Los resultados de WP1 y WP2 se probarán en una planta solar virtual (Virtual Solar Plant) en el WP3 y el WP4 estará dedicado a probar a los candidatos más prometedores del WP3 en el horno solar de la Planta Solar de Almería (PSA). Finalmente, si el proyecto alcanza su objetivo con éxito, los conceptos aprendidos tendrían un gran potencial de ser utilizados en otras disciplinas.
Figura 1: Esquema de los objetivos, alcance y futuro del proyecto SmartSolFuel
Agradecimientos
SmartSolFuel es un proyecto financiado por el gobierno regional de la Comunidad de Madrid mediante el programa de Atracción de Talento Investigador del año 2020 (referencia 2020-T1/AMB-19884).
Referencias
[1] IEA, Market Report Series: Renewables 2017 – Analisys and Forecast to 2022, 2017.
[2] M. Muratori, Impact of uncoordinated plug-in electric vehicle charging on residential power demand, Nat. Energy. 3 (2018) 193–201. https://doi.org/10.1038/s41560-017-0074-z.
[3] A. Bayon, A. de la Calle, K.K. Ghose, A. Page, R. McNaughton, Experimental, computational and thermodynamic studies in perovskites metal oxides for thermochemical fuel production: A review, Int. J. Hydrogen Energy. 45 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.02.126.
[4] M. Romero, A. Steinfeld, Concentrating solar thermal power and thermochemical fuels, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 9234–9245. https://doi.org/10.1039/c2ee21275g.
[5] P. Furler, J.R. Scheffe, A. Steinfeld, Syngas production by simultaneous splitting of H2O and CO2via ceria redox reactions in a high-temperature solar reactor, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 6098–6103. https://doi.org/10.1039/c1ee02620h.
Contacto
Alicia Bayón, investigadora del grupo CSIC-ECI del Programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía
